文摘
用户对能源的需求增加和质量,如何提供高质量的可再生清洁能源已成为电力电子的一个关键问题。本文的主要思想是开发一个复合控制包括PI控制和重复控制的单相发电逆变器来消除谐波的影响,从而获得更好的单相逆变器系统的稳态和动态响应,减少净电流谐波。单相逆变器首次被引进的造型;然后一阶重复控制开发提出了发电逆变器。此外,采用高阶重复控制器进一步提高对不确定性的鲁棒性的信号。稳定性和性能分析的一阶重复控制和高阶重复控制。最后,比较模拟是进行电路级逆变器模型,表明了该方法的有效性。
1。介绍
传统的燃料能源的发展越来越严格的由于其严重的污染问题和其他缺点,而人类经济和社会的快速发展,调查清洁和高效的能源已经逐渐扩大的1,2]。事实上,探索可再生能源和替代能源已逐渐成为各个国家和行业的重要研究领域。在发电、火力发电等可再生能源正在逐渐取代水电、光伏和风能,核能,太阳能3,4]。
然而,有一些关键问题需要解决在可再生能源发电系统供电。例如,光伏发电是极大地受到许多因素,如天气和地区,因此电源不稳定(3,5]。此外,由于大型投资的特点和广泛的土地的占领,集中式光伏发电系统应用有限,虽然分布式光伏发电系统有更多的潜在的应用程序,也就是说,小型光伏发电系统。然而,它仍然是作为一个开放问题,确保大量的分布式系统可以成功地通过电力电子方法连接到电网,即发电逆变器(6- - - - - -9),它可以保留公共电网的稳定性,同时保证电网连接的效率,避免大规模的电网连接公共电网的干扰。这是具有重要意义和必要性不仅为光伏发电系统,也为其他可再生能源供电系统(5]。在这些发电系统中,并网逆变器是核心部分(10- - - - - -12]。作为一个接口设备,并网逆变器将受到光伏电池不稳定直流电源转换为一个更稳定的交流电源和饲料到公共电网中起着重要的作用,这也吸引了大量电力电子行业的关注(13- - - - - -15]。
并网逆变器是将直流功率输出从光伏阵列中提取到交流电源的频率和相位与电网电压相同,而应该小,输出电流谐波正弦交流电并入电网。因此,适当的控制策略是必不可少的。有两种基本的并网电流控制策略,即间接电流控制和直接电流控制16- - - - - -19]。间接电流控制使用输出电压的向量关系,因此并网电流可以达到预期的振幅和相位,没有引入交流电流反馈。直接电流控制适用于AC输入电流命令和交流电流反馈,使输入电流跟踪命令改变通过监管机构的跟踪控制;它具有良好的动态性能。在这方面,有许多控制方法为发电逆变器开发的,如PI控制、滞环控制,赖账的控制,鲁棒控制,重复控制和自适应控制20.- - - - - -26]。PI控制是一种常用的控制方法,因为该算法简单可靠,但它不能意识到当前的调整没有静态的区别。它可能包含振动,因此,当前的网络质量方面是有限的。磁滞控制旨在控制逆变器输出电流的误差跟踪正弦参考电流滞环宽度内,实时控制的优势和快速响应。然而,这种方法存在开关损耗和跟踪精度的问题。赖账的控制方法是基于精确数学模型的控制装置。的基本原理是计算的责任周期下逆变器功率器件的开关周期根据状态方程和输出反馈信号并在下次所需的参考信号。赖账的控制具有快速响应和低谐波含量。但是,它有特定要求的计算精度和速度控制器。
基于上面的讨论,我们将开发一个短时间的重复控制逆变器。重复控制是一种控制方法开发了基于内模原理,基本的原则是,之前的周期将被消除的谐波失真在接下来的周期。控制器是用于添加控制信号在下一周期校正和补偿,以消除周期性干扰。为此,我们首先介绍一个单相逆变器的造型。然后,一阶重复控制开发提出了发电逆变器。此外,高阶重复控制器也进一步提高了对不确定性的鲁棒性的信号。稳定性和性能分析都是对提出的两种控制策略。最后,比较模拟是进行电路级逆变器模型表明,高阶重复控制可以获得更好的稳态和动态特性的单相逆变器系统,减少净电流谐波。
本文的主要贡献包括以下:(1)重复控制是用来消除总谐波电流并网逆变器(2)高阶重复控制提出了解决网格的变化周期,从而保证并网逆变器的控制系统的鲁棒性(3)的稳定性和性能分析提出一阶重复控制和高阶重复控制都是给定的
本文的组织结构如下:在部分2,我们介绍了单相逆变器类型和造型。节3、一阶重复控制和高阶介绍了重复控制的基础上,提出发电逆变器抑制的总谐波电流。稳定性和性能分析。比较模拟部分进行4节中提到的,一些结论5。
2。预赛和配方问题
2.1。单相逆变器类型
光伏发电逆变器是poststage结构网格,这是一种将直流电转换成交流电的设备。逆变器广泛应用于电力、交通、军事等领域。有三个主要的单相逆变器拓扑:推挽式逆变器,半桥逆变器和全桥逆变器27- - - - - -31日]。
2.1.1。推挽式逆变器
推挽式逆变器有一个简单的结构,它由两种常见的负电源开关和一个升压变压器中心点击原来的一面。输出变压器的主要缺点是很容易饱和。变压器的利用率相对较低,很难驱动电感负载,它适用于直流总线电压较低的场合。图中给出了推挽式逆变器的拓扑结构1。
2.1.2。半桥逆变器
半桥逆变器电路由两个电容串联,一双可控设备和反平行的二极管的一个桥臂。当两个电压将电容器的容量足够大,电容电压的电源开关设备 在打开和关闭状态时,有很强的抗压能力不平衡输出。然而,它的缺点是,交流输出电压幅值的主要电路输入电压的一半,和直流侧仍然需要两个电容器的电压平衡,直流侧电压利用率低和电网的谐波电流大。半桥逆变器已广泛应用于逆变器的低功率水平。半桥逆变器的拓扑结构如图2。
2.1.3。全桥逆变器
全桥逆变电路有两个桥臂,可由两个半桥电路。图中给出了拓扑3。一对完全控制设备和 ,另一对是和 。同一双完全控制设备在同一时间,以及设备的两双是互补的。
在相同的直流输入电压下,全桥逆变器的最大输出电压是半桥逆变器的两倍。当功率是一样的,输出电流和电流通过开关元件是一半的半桥逆变电路。全桥逆变电路的结构简单,易于控制;因此,它已广泛应用于大功率场合。
同时,逆变器分为有源逆变器和无源逆变器根据是否有电力供应。主动和被动是指逆变器是否连接到电源。在这个项目中,需要对光伏发电逆变器与电网相连,属于并网逆变器,因此有源逆变电路被选中。
从图3随负载的逆变器,其滤波电路通常由LC滤波电路的电感和电容。并网逆变器的输出终端需要连接到电网。滤波电容器的C将加强电网,不能发挥过滤的作用,和并联电容器可以等价,可以看到在图吗4。
本文主要就着重那些坏家伙了并网逆变器系统的后期,它包含一个直流电源提供的直流-直流部分,前4个电源开关设备(IGBT)逆变器桥,电感器和过滤器。逆变器输出正弦波电流相同的频率和相位与电网电压和输入电网。
2.2。单相逆变器造型
单相发电逆变器的主电路如图5,这是一个电压型全桥电路由四个igbt和连续流二极管反向平行的。是IGBT,连续流二极管,滤波电感的一侧是电网,然后呢滤波电感的寄生电阻。和是相应的交流电源和直流电源,分别。
根据图5我们可以获得流动方程:
然后,我们有
直流侧,我们得到的
然后,我们知道单相发电逆变器采用电压和电流环的双闭环控制策略,外循环是直流侧电压回路,它的功能是保持直流侧电压稳定。内循环是当前循环,逆变器的输出电流与电网电压相位相同,振幅和当前是由环调节器的输出电压。本文只研究了逆变器并网系统的后期的功能;因此,逆变桥的前端可以被视为一个常数电压直流电源,电压回路时不考虑。
3所示。重复控制单相发电逆变器的设计
重复控制(32)来源于内部模型原理(IMP)。IMP的优点是,在一个稳定的闭环控制系统,内部控制包括发电机外部控制信号,从而实现调整没有稳态误差和抑制周期性干扰。当一个系统的稳态误差为零,因此控制器的输入为零。此时,参考信号和反馈信号仍然存在,周期性的干扰还是根据原来的动态特性变化,仍然和控制器输出相应的控制信号系统调整没有静态误差。因此,实现无稳态误差的本质是,控制器是一个结构模型,它可以反映和处理外部信号。
提出的控制器应旨在抑制电流谐波减少失真正弦波电流流入的网络。然而,电力电子系统中的干扰信号是周期;然后一个特定的控制结构如图6就会被使用。
备注1。这个控制系统图6由一个RC控制器和PI控制器。PI控制器设计闭环系统稳定,其参数可以调整为(33]。本文将重点讨论重复控制的设计(例如,不得已伸出和可怕)和他们的比较。
3.1。一阶重复控制(不得已伸出)
3.1.1。一阶重复控制结构
如图7重复控制可以基于一个内部的模型设计,可以学习信号的周期T和复制它,即使这个模型的输入设置为零。考虑到频域响应;这个内部模型介绍了无限的收益(没有过滤 )在特定的频率 rad /秒 。然后,根据著名的小鬼,零点误差跟踪或拒绝这些频率的周期信号可以保证闭环系统是稳定的。
一个低通滤波器通常是用来提高控制系统的鲁棒性,尽管这可能会减少在这些特定的频率。摘要设置为一个二阶巴特沃斯滤波器设计其截止频率。该补偿器利用保持系统稳定时,内部模型添加到闭环系统。因此,RC的传递函数是描述
结果表明,低通滤波器的使用将会导致不可避免的相位滞后,这将改变的频率获得最大收益。具体来说,频移主要是有关它的阶段。然而,一个适当的补偿可以进一步整合来解决这个问题(34]。
3.1.2。稳定性和性能分析
在这一部分中,我们将给出一个命题对于系统的稳定性。应满足下列条件保证闭环系统的稳定性。
命题1。闭环系统图6不得已伸出在图7是稳定的,如果满足以下条件(35,36]:(1)没有RC的闭环系统是稳定的;也就是说, 是稳定的(2) ;即过滤器应该有一个合适的带宽内获得接近于1(3)
证明。在给出的证明类似于36这里没有介绍),因此。
根据这三个条件,我们有不同的设计方法,以满足条件。PI控制的目的是满足条件(1),一个低通滤波器用于满足条件(2),和(3)可以满足设计条件。为最小相位植物吗
,一个建设性的选择给药
在哪里是一个常数。
用(5(3)命题)条件1,我们有以下。
推论1。在图所示的闭环控制系统6与一个稳定的最小相位和补偿器(5)是稳定的,如果满足以下条件:(1) 是一个稳定的系统, (2)是一个不断充实,
备注1。该补偿器(5)是有效稳定的最小相位的植物,因为没有zero-pole取消在右半边的飞机在这种情况下。对于非最小相位的植物,另一种方法是取消最小相位零点和极点和非最小相位的补偿阶段的(37]。
3.2。高阶重复控制(可怕)
3.2.1之上。高阶重复控制结构
虽然不得已伸出在图7很容易实现,其性能可能会降低,当时间吗引用或扰动的不确定性;也就是说,它是敏感的变化的周期信号。为了解决这些不足,提出了高阶重复控制(可怕)(38- - - - - -40),是因为其强大的鲁棒性,在图8。
在图8,是一个加权和函数的重复循环。因此,可怕的传递函数可以写成
结果表明,可怕使用多个循环内部模型,取代了延迟通过加权求和函数的几个延迟给出如下: 在哪里是延误的数量,RC的顺序循环。
类似于不得已伸出,可怕的收益是无限的输入信号频率的倍数。特别是,获得(6)将趋于无穷 。所示(38),我们的替代品 到(7),并
它指出, 和 ,(8)减少到不得已伸出。的情况下 ,我们需要确定重量参数 。受的想法38),我们可以做的一阶导数关于在特定频率为零。这个规定条件
根据(9),下列方程是正确的:
所示(38),以进一步减少一段时间变化的敏感性通过使用可怕的重量参数,我们可以做 - - - - - -th导数等于零,所以
重量参数可以计算出基于(7)- (11)。例如,当 3,我们可以设置 和 ; , ,和 ,分别。
3.2.2。稳定性和性能分析
可怕系统的稳定性分析中给出类似的主张1,因此我们有以下。
命题2。闭环系统图6可怕的人物8是稳定的如果下列条件:(1)没有可怕的闭环系统是稳定的;也就是说, 是稳定的(2) (3)
证明。命题的证明类似1通过替换与
。
对于任何一个最小相位
,我们设计作为
用(12第三个条件命题2,我们可以得到。
。此外,条件(2)的推论2可以推导出
。因此,我们有以下。
推论2。为稳定,最小相位 ,在图所示的闭环控制系统8如果下列条件真可怕是稳定的:(1) (2) 是一个常数满足
4所示。仿真结果和分析
在本节中,我们验证了该控制算法的有效性Simpower系统工具箱在Matlab / Simulink仿真。单相发电逆变器的仿真模型是建立比较当前的谐波抑制不得已伸出和可怕。FFT分析工具在使用仿真软件得到的总谐波失真(THD)。通过电流环控制系统的框图如图6和图的拓扑结构5单相发电逆变器的单相逆变器的仿真图可以得到如图9。此外,主电路参数如表所示1。
主电路仿真模块是由直流电源、IGBT逆变桥,滤波电感器,一个交流公共电网的来源,和一个输出电流检测模块。控制部分包括控制电路、PWM发生器模块、锁相环模块。当前循环用于控制回路。控制模块包括一个PI控制、一阶重复控制,分别或高阶重复控制。摘要PI控制、PI +不得已伸出,PI +可怕都是模拟的。为了充分分析这三种控制方法的特点,稳态波形谐波抑制和动态跟踪都是给定的。
4.1。稳态波形
数据10- - - - - -12展示交流侧的电压和电流PI控制,PI +不得已伸出,分别和PI +可怕达到稳定状态。数据13- - - - - -15是相应的谐波分析结果。从数据可以看出10- - - - - -12三个方法可以实现相同的相电压和电流的稳定状态。然而,当前的谐波图官相对较大,达到2.10%12。在图11,官谐波相应地少,采用PI +不得已伸出时减少到1.98%。最后,PI +可怕用于抑制谐波电流更严格地说是THD减少到1.84%在图15。
4.2。谐波抑制
为了进一步验证这三个控制的谐波抑制方法,高阶谐波手动添加到系统。电网的频率是50赫兹;然后7日和9日谐波注入。这是显示在图16PI控制性能较差,抑制谐波,它会导致巨大的扭曲在当前。从图可以看出17之后,不得已伸出的引入,高阶谐波的抑制和输出电流保持更好的正弦波形。后使用一可怕,我们可以得到一个顺畅的正弦曲线,如图18。
4.3。动态跟踪
通过上面的分析,我们可以发现一可怕有更好的谐波抑制性能。为了进一步验证可怕的跟踪性能,参考电流突然下降了30%在0.26 s模拟电流的突然下降。这是显示在图19,目前在0.28年代可以恢复。因此,当参考电流突然变化,当前可以快速响应,片刻后,跟踪参考电流瞬态;也就是说,系统具有快速的动态响应。
5。结论
在本文中,一种新型控制方法提出了一种结合PI控制和重复控制单相发电逆变器。后介绍了单相逆变器类型和造型,一阶重复控制和开发高阶重复控制并网逆变器,分别。稳定性和性能分析都给提出两个重复的控制。最后,比较模拟基于提出的单相发电逆变器进行显示,高阶重复控制可以获得更好的稳态和动态特性,减少净电流谐波。未来的工作将集中在无功补偿控制及其实际应用。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国南方电网公司(不支持。YNKJXM20180366)和下的云南教育部科研基金资助2020 j0067。